DE102012004314A1 - Method for producing a thin Si absorber layer, thin-film silicon absorber and its use - Google Patents

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Manfred Schmidt
Tim Schulze
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Abstract

Das Verfahren zur Herstellung einer dünnen Si-Absorberschicht umfasst mindestens die Verfahrensschritte: Erzeugen einer Si-Saatschicht auf einem Substrat, wobei zunächst eine a-Si-Schicht mit einer Dicke < 40 nm oder < 40 nm aufgebracht und anschließend derart kristallisiert wird, dass im ersten Fall in der Saatschicht Si-Körner mit einer (100)-Vorzugsorientierung und im zweiten Fall in der Saatschicht Si-Körner mit einer (111)-Vorzugsorientierung ausgebildet werden, anschließende Abscheidung einer 5 μm bis 15 μm dicken a-Si-Absorberschicht auf die nunmehr Körner mit einer Vorzugsrichtung aufweisende Saatschicht, die danach in einem einzigen Schritt mindestens teilweise aufgeschmolzen und derart kristallisiert wird, dass in der Si-Absorberschicht im Vergleich zur kristallisierten Saatschicht vergrößerte Si-Körner einer Vorzugsorientierung, entsprechend der ursprünglichen Textur der Saatschicht, ausbildbar sind, und abschließende Strukturierung der Oberfläche der Si-Absorberschicht.The method for producing a thin Si absorber layer comprises at least the method steps: producing a Si seed layer on a substrate, wherein initially an a-Si layer having a thickness <40 nm or <40 nm is applied and then crystallized in such a way that First case in the seed layer Si grains with a (100) preferred orientation and in the second case in the seed layer Si grains are formed with a (111) preferred orientation, subsequent deposition of a 5 .mu.m to 15 .mu.m thick a-Si absorber layer the now grains having a preferred direction seed layer, which is then at least partially melted in a single step and crystallized such that in the Si absorber layer compared to the crystallized seed layer enlarged Si grains of a preferred orientation, according to the original texture of the seed layer can be formed , and final structuring of the surface of the Si absorber Bersch maybe.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Si-Absorberschicht, einen Dünnschicht-Silizium-Absorber und seine Verwendung.The invention relates to a method for producing a thin Si absorber layer, a thin-film silicon absorber and its use.

Dem Stand der Technik nach ist eine Vielzahl von Verfahren zur Herstellung dünner Absorborberschichten, insbesondere polykristalliner Si-Schichten, bekannt, die mindestens einen Verfahrensschritt zur Rekristallisation einer a-Si-Schicht aufweisen.According to the state of the art, a large number of processes are known for producing thin absorber layers, in particular polycrystalline Si layers, which have at least one process step for recrystallizing an a-Si layer.

So ist ein Verfahren zur Herstellung einer kristallinen Si-Dünnschicht-Solarzelle im IHPT Jena entwickelt worden, was u. a. beschrieben ist in FVS • PV-UNI-NETZ/Workshop 2003/Poster II/S. 170–177 oder in 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1–5 September 2008, Valencia, Spain, pp. 2194–2198 oder in DE 100 42 733 A1 . Bei dem dort beschriebenen Verfahren wird zunächst eine dünne amorphe Si-Schicht auf Glas abgeschieden, die anschließend mit einem gescannten cw-Laser kristallisiert wird. Hierbei entstehen Körner mit Abmessungen von über 10 μm. Auf diese grobkörnige Keimschicht wird zur Erzeugung einer Absorberschicht von einigen μm Dicke kontinuierlich weiter p-dotiertes Silizium epitaktisch abgeschieden und bei Erreichen einer Schichtdicke von 30 bis 50 nm jeweils wieder mittels Laserstrahl (Excimerlaser) aufgeschmolzen, d. h. Teilschicht für Teilschicht wird nacheinander aufgebracht und rekristallisiert. Diese Technologie wird als LLC (Layered Laser Crystallization) bezeichnet. Anschließend wird eine feinkörnige Emitterschicht aufgebracht, die eine natürliche Oberflächenrauigkeit aufweist. Auf diesen Emitter wird eine Aluminium-Elektrodenschicht aufgebracht, die als Rückreflektor dient und gleichzeitig mit dem rauen Emitter stark streuend wirkt. Damit ist eine „light trapping”-Struktur entstanden und die Absorberschicht ist auf wenige μm in ihrer Dicke begrenzbar.Thus, a method for producing a crystalline Si thin-film solar cell has been developed in the IHPT Jena, which is described inter alia in FVS • PV-UNI-NETWORK / Workshop 2003 / Poster II / S. 170-177 or 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, 1-5 September 2008, Valencia, Spain, pp. 2194-2198 or in DE 100 42 733 A1 , In the method described there, a thin amorphous Si layer is first deposited on glass, which is subsequently crystallized with a scanned cw laser. This results in grains with dimensions of over 10 microns. On this coarse seed layer is further epitaxially deposited to produce an absorber layer of a few microns thickness further p-doped silicon and melted when reaching a layer thickness of 30 to 50 nm each again by laser beam (excimer laser), ie sub-layer for sub-layer is applied and recrystallized sequentially. This technology is called LLC (Layered Laser Crystallization). Subsequently, a fine-grained emitter layer is applied, which has a natural surface roughness. On this emitter, an aluminum electrode layer is applied, which serves as a back reflector and at the same time has a strong scattering effect with the rough emitter. This creates a "light trapping" structure and the absorber layer can be limited to a few μm in thickness.

Allgemein aus dem Stand der Technik bekannt ist zur großflächigen Rekristallisation von amorphen Precursor-Schichten neben der erwähnten Möglichkeit mittels Laserstrahl auch eine Rekristallisation mittels Elektronenstrahl.Generally known from the prior art is for large-area recrystallization of amorphous precursor layers in addition to the possibility mentioned by means of laser beam also recrystallization by electron beam.

Ein derartiges Rekristallisationsverfahren ist in Progr. Photovolt: Res. Appl. (2011); DOI: 101002/pip beschrieben, wobei auf einer auf einem Glassubstrat befindlichen SiC:B-Schicht ein polykrystalliner Silizium-Absorber mit ca. 10 μm Dicke und 1 × 10 mm2 großen Körnern dadurch erzeugt wird, dass auf die SiC:B-Schicht mittels LPCVD (low pressure chemical vapour deposition) eine 8 bis 13 μm dicke amorphe Si-Schicht abgeschieden und mittels Elektronenstrahl rekristallisiert wird. Die SiC:B-Schicht dient als Diffusionsbarriere, Kontaktschicht oder Dotierquelle Auch in DE 42 29 702 C2 und WO 95/20694 wird eine polykristalline Si-Schicht durch ein Zonenschmelzverfahren einer amorphen Si-Schicht mittels Elektronenstrahl erzeugt. In der Lösung, die in WO 95/20694 beschrieben ist, wird die rekristallisierte Schicht, die nunmehr grobkörnig und polykristallin ist und als Keimschicht dient, in einem nachfolgenden Epitaxieverfahren bis zur gewünschten Dicke verstärkt. In DE 42 29 702 C2 wird auf die im ersten Schritt mittels Elektronenstrahl rekristallisierte amorphe und damit erzeugte grobkristalline Si-Schicht eine Eisensilizidschicht epitaktisch aufgewachsen, die durch geeigneten Leistungseintrag, Substratvorheizung und Ziehgeschwindigkeit eine <111> Vorzugsorientierung erhält.Such a recrystallization process is in Progr. Photovolt: Res. Appl. (2011); DOI: 101002 / pip described, wherein on a SiC: B layer on a glass substrate, a polycrystalline silicon absorber of about 10 .mu.m thick and 1 × 10 mm 2 grains produced by the fact that on the SiC: B layer by means of LPCVD (low pressure chemical vapor deposition) deposited an 8 to 13 .mu.m thick amorphous Si layer and recrystallized by electron beam. The SiC: B layer serves as a diffusion barrier, contact layer or doping source DE 42 29 702 C2 and WO 95/20694 For example, a polycrystalline Si layer is formed by a zone melting method of an amorphous Si layer by electron beam. In the solution described in WO 95/20694, the recrystallized layer, which is now coarse-grained and polycrystalline and serves as a seed layer, is reinforced to the desired thickness in a subsequent epitaxy process. In DE 42 29 702 C2, an iron silicide layer is epitaxially grown on the recrystallized in the first step by means of electron beam amorphous and thus generated coarsely crystalline Si layer, which receives a <111> preference by appropriate power input, substrate preheating and pulling rate.

Die Wirkung einer Vorzugsorientierung der Körner eines polykristallinen Si-Dünnschichtfilms – insbesondere für photovoltaische Anwendungen – wird in Thin Solid Films 516, 6989–6993 (2008) so beschrieben, dass eine (100) Vorzugsorientierung eine gute Voraussetzung für eine bessere epitaktische Verdickung des polykristallinen Si-Films darstellt.The effect of preferential orientation of the grains of a polycrystalline Si thin film - especially for photovoltaic applications - is in Thin Solid Films 516, 6989-6993 (2008) described that a (100) preferred orientation is a good prerequisite for a better epitaxial thickening of the polycrystalline Si film.

Über entstehende Vorzugsorientierungen von Körnern in polykristallinen Si-Dünnschichten nach der Rekristallisation einer amorphen Si-Schicht mit einem Excimer-Laser mit einer Vielzahl von Laserschüssen auf unterschiedlichen Substraten wurde in einigen Veröffentlichungen berichtet. So wird beispielsweise in J. Appl. Phys. 89, 5348 (2001) oder in J. Appl. Phys. 91, 2969 (2002) das Entstehen einer (111)-Textur in dem Si-Dünnschichtfilm bzw. in Jpn. J. Appl. Phys. 42, L135–L137 (2003) oder in J. Appl. Phys. 100, 083103 (2006) das Entstehen einer (100)-Textur beschrieben. Bisher konnte nicht geklärt werden, weshalb gerade eine bestimmte Textur in der rekristallisierten Schicht entsteht.Emerging preferences of grains in polycrystalline Si thin films after recrystallization of an amorphous Si film with an excimer laser having a plurality of laser shots on different substrates have been reported in some publications. For example, in J. Appl. Phys. 89, 5348 (2001) or in J. Appl. Phys. 91, 2969 (2002) the emergence of a (111) texture in the Si thin film or in Jpn. J. Appl. Phys. 42, L135-L137 (2003) or in J. Appl. Phys. 100, 083103 (2006) the emergence of a (100) texture is described. So far, it has not been possible to clarify why a particular texture is being formed in the recrystallized layer.

Allgemein bekannt ist, dass die elektronischen Eigenschaften von polykristallinem Si für die Anwendung von Dünnfilm-Transistoren und Dünnfilm-Solarzellen hauptsächlich durch die Größe und die Orientierung der Körner der grobkristallinen Si-Schicht bestimmt wird.It is generally known that the electronic properties of polycrystalline Si for the application of thin-film transistors and thin-film solar cells is determined mainly by the size and orientation of the grains of the coarsely crystalline Si layer.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Verfahren zur Herstellung einer dünnen Si-Absorberschicht anzugeben, bei dem über die Einstellung der Größe und der Vorzugsorientierung der polykristallinen grobkörnigen Si-Absorberschicht die elektronischen Eigenschaften der Absorberschicht beeinflussbar sind, das eine Implementierung effektiver Lichteinfangstrukturen ermöglicht und das einfacher und leichter skalierbar im Vergleich zu bekannten Verfahren ist.The object of the invention is therefore to specify a method for producing a thin Si absorber layer in which the electronic properties of the absorber layer can be influenced by adjusting the size and preferred orientation of the polycrystalline coarse-grained Si absorber layer, which enables an implementation of effective light capture structures and the easier and more scalable compared to known methods.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 oder 2 gelöst.The object is solved by the features of independent claims 1 or 2.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer dünnen Si-Absorberschicht weist mindestens die folgenden Verfahrensschritte auf:

  • – Erzeugen einer Si-Saatschicht auf einem Substrat, wobei zunächst eine a-Si-Schicht mit einer Dicke < 40 nm aufgebracht und anschließend derart kristallisiert wird, dass in der Saatschicht Si-Körner mit einer (100)-Vorzugsorientierung ausgebildet werden,
  • – anschließende Abscheidung einer 5 μm bis 15 μm dicken a-Si-Absorberschicht auf die nunmehr Körner aufweisende Saatschicht, die danach in einem einzigen Schritt mindestens teilweise aufgeschmolzen und derart kristallisiert wird, dass in der Si-Absorberschicht im Vergleich zur Saatschicht vergrößerte Si-Körner einer Vorzugsorientierung, entsprechend der ursprünglichen Textur der Saatschicht, ausbildbar sind, und
  • – anschließende Strukturierung der Oberfläche der Si-Absorberschicht.
The method according to the invention for producing a thin Si absorber layer has at least the following method steps:
  • Producing a Si seed layer on a substrate, wherein an a-Si layer having a thickness of <40 nm is first applied and then crystallized in such a way that Si grains having a (100) preferred orientation are formed in the seed layer,
  • - Subsequent deposition of a 5 microns to 15 microns thick a-Si absorber layer on the seeds now having grains, which is then at least partially melted in a single step and crystallized such that in the Si absorber layer in comparison to the seed layer enlarged Si grains a preferred orientation, according to the original texture of the seed layer, can be formed, and
  • - Subsequent structuring of the surface of the Si absorber layer.

Wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren eine > 40 nm dicke a-Si-Schicht zur Ausbildung einer Si-Saatschicht aufgebracht, bilden sich bei der Kristallisation der a-Si-Schicht Si-Körner mit einer (111)-Vorzugsorientierung.If in the method according to the invention a> 40 nm thick a-Si layer is applied to form an Si seed layer, Si grains with a (111) preferred orientation form during the crystallization of the a-Si layer.

Im ersten Kristallisationsschritt der beiden Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, nämlich der Kristallisation der als ersten aufgebrachten und als Saatschicht wirkenden a-Si-Schicht wird das überraschend gewonnene Ergebnis ausgenutzt, dass – unabhängig von der Art des Abscheidens der a-Si-Schicht und vom darunter liegenden Substrat – beim Kristallisationsprozess Si-Körner einer (100)-Vorzugsorientierung bei einer aufgebrachten Schichtdicke kleiner als 40 nm oder einer (111)-Vorzugsorientierung bei einer Schichtdicke größer als 40 nm ausgebildet werden. Verfahren zur Kristallisation sind dem Fachmann aus dem Stand der Technik bekannt. Im zweiten Kristallisationsschritt entsteht eine großkörnige polykristalline Si-Schicht, die noch die Orientierungsinformation der Saatschicht besitzt und überwiegend (100) orientiert ist. Der zweite Kristallisationsschritt kann entweder dadurch realisiert werden, dass der Schichtstapel nur teilweise aufgeschmolzen wird, so dass die Saatschicht erhalten bleibt, oder dadurch, dass der Schichtstapel – also Absorberschicht und Saatschicht – vollständig aufgeschmolzen wird und durch die eingestellte Ziehgeschwindigkeit die Orientierungsinformation aus den bereits erstarrten Bereichen der Schmelze, d. h. hinter der Kristallisationsfront, in der lateralen Bewegung erhalten bleibt. Die relativ große – im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannter – Dicke, in der die Absorberschicht abgeschieden wird, ermöglicht die Strukturierung der Oberfläche der polykristallinen Si-Absorberschicht zur Erzeugung von „light trapping” Strukturen, da bei diesem Prozess 1 bis 2 μm abgetragen werden.In the first crystallization step of the two variants of the process according to the invention, namely the crystallization of the a-Si layer which is applied first and acts as a seed layer, the surprisingly obtained result is exploited, irrespective of the type of deposition of the a-Si layer and of below In the case of the crystallization process, Si grains of a (100) preferred orientation are formed at an applied layer thickness of less than 40 nm or a (111) preferred orientation at a layer thickness greater than 40 nm. Crystallization processes are known to those skilled in the art. In the second crystallization step, a large-grained polycrystalline Si layer is formed, which still has the orientation information of the seed layer and is predominantly (100) oriented. The second crystallization step can either be realized in that the layer stack is only partially melted, so that the seed layer is retained, or characterized in that the layer stack - ie absorber layer and seed layer - is completely melted and by the set pull rate, the orientation information from the already solidified Areas of the melt, d. H. behind the crystallization front, in which lateral movement is maintained. The relatively large thickness, in which the absorber layer is deposited, as compared to the state of the art, enables the structuring of the surface of the polycrystalline Si absorber layer to produce "light trapping" structures, since in this process 1 to 2 μm be removed.

In Ausführungsformen der Erfindung ist vorgesehen, dass die a-Si-Saatschicht mittels CVD oder PVD aufgebracht wird. Das Aufbringen der a-Si-Saatschicht ist nicht auf die genannten Verfahren beschränkt.In embodiments of the invention it is provided that the a-Si seed layer is applied by means of CVD or PVD. The application of the a-Si seed layer is not limited to the mentioned methods.

Die Kristallisation der Saatschicht wird mit einem cw- oder gepulsten Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl durchgeführt, die a-Si-Absorberschicht wird mittels eines lateral über die Schicht geführten Elektronen- oder Laserstrahls kristallisiert.The crystallization of the seed layer is carried out with a cw or pulsed laser beam or an electron beam, the a-Si absorber layer is crystallized by means of a laterally guided over the layer electron or laser beam.

Als eine optionale Schicht kann vor dem Aufbringen einer a-Si Schicht zur Erzeugung einer Saatschicht eine zusätzliche als Diffusionsbarriere und/oder Kontaktschicht und/oder Dotierstoffquelle wirkende Schicht mit einer Dicke zwischen 5 nm und 500 nm auf dem Substrat abgeschieden werden. Als Material für die vor dem Abscheiden der a-Si-Saatschicht aufgebrachte Schicht wird insbesondere amorpher Silizium-Kohlenstoff oder Silizuimcarbid Si1-xCx mit 0 < x < 1 oder Siliziumnitrid (SiNx) verwendet, wahlweise undotiert oder mit mindestens einem der folgenden Elemente dotiert: Bor, Phosphor, Aluminium, Antimon, Arsen oder Indum.As an optional layer, an additional layer acting as a diffusion barrier and / or contact layer and / or dopant source with a thickness of between 5 nm and 500 nm can be deposited on the substrate prior to the application of an a-Si layer to produce a seed layer. The material used for the layer deposited prior to the deposition of the a-Si seed layer is, in particular, amorphous silicon carbon or silicon carbide Si 1-x C x with 0 <x <1 or silicon nitride (SiN x ), optionally undoped or with at least one of The following elements are doped: boron, phosphorus, aluminum, antimony, arsenic or indium.

In anderen Ausführungsformen wird als Substrat eine Folie, mindestens aufweisend eines der folgenden Elemente: Fe, Ti, Cr, V, Ni, Mo, W oder Ta, oder ein Gemenge, mindestens aufweisend eines der folgenden Elemente: C, N oder 0 sowie mindestens eines der folgenden Metallen wie Fe, Ni, Ti oder Al in unterschiedlichen Anteilen, verwendet wird.In other embodiments, the substrate is a film, at least one of the following elements: Fe, Ti, Cr, V, Ni, Mo, W or Ta, or a mixture comprising at least one of the following elements: C, N or O and at least one of the following metals such as Fe, Ni, Ti or Al in different proportions is used.

Zur Erhöhung der Lichteinfangstrukturen wird die Oberfläche der kristallisierten Absorberschicht mittels eines Ätzprozesses mit einer KOH-/Isopropanol-Lösung strukturiert, die anschließend nachgereinigt und/oder planarisiert werden kann.To increase the light-capture structures, the surface of the crystallized absorber layer is patterned by means of an etching process with a KOH / isopropanol solution, which can subsequently be post-cleaned and / or planarized.

Auf die texturierte Oberfläche der Absorberschicht kann nun zur Vervollständigung des Solarzellenaufbaus ein Heterostruktur-Emitter aus amorphem Silizium (a:Si:H) aufgebracht werden. Abschließend wird eine TCO-Schicht deponiert, die die laterale Leitfähigkeit auf der Vorderseite der Solarzelle garantiert.To complete the solar cell assembly, a heterostructure emitter of amorphous silicon (a: Si: H) can now be applied to the textured surface of the absorber layer. Finally, a TCO layer is deposited, which guarantees the lateral conductivity on the front side of the solar cell.

Wird die Saatschicht und die Absorberschicht mittels Elektronenstrahl kristallisiert, so wird in einer weiteren Ausführungsform die Temperatur der aufgeschmolzenen Schicht durch Messung der Farbtemperatur des Elektronenstrahl-Auftreffpunktes ermittelt. Dieses Signal kann als Regelgröße verwendet werden, so dass auch ohne Detail-Kenntnisse der Probenparameter wie Dicke und Art des Substrates oder Dicke der aufgebrachten Si-Schicht eine präzise Steuerung der Rekristallisation und damit der Korngröße möglich ist.If the seed layer and the absorber layer are crystallized by means of electron beam, the temperature of the molten layer is determined in a further embodiment by measuring the color temperature of the electron beam impact point. This signal can be used as a control variable, so that even without detailed knowledge of the sample parameters such as thickness and type of substrate or thickness of the applied Si layer precise control of the recrystallization and thus the grain size is possible.

Die Erfindung betrifft auch einen Dünnschicht-Si-Absorber mit einer Dicke zwischen 5 μm und 15 μm, ausgebildet als grobkörnige polykristalline Schicht mit (100)-Vorzugsorientierung, wobei die Körner eine Größe bis zur Dicke der Absorberschicht aufweisen, und mit auf der Oberfläche angeordneten Lichteinfangstrukturen, herstellbar durch die folgenden Verfahrensschritte: Erzeugen einer Si-Saatschicht auf einem Substrat durch Aufbringen einer 20 nm bis 40 nm dicken a-Si-Schicht und Kristallisation dieser Schicht derart mittels eines Schmelzverfahrens, dass in der Schicht grobe Si-Körner einer Vorzugsorientierung (100) ausbildbar sind, anschließende Abscheidung einer 5 μm bis 15 μm dicken a-Si-Absorberschicht auf die grobkörnige Saatschicht, die danach in einem einzigen Schritt mindestens teilweise aufgeschmolzen und derart kristallisiert wird, dass in der Si-Absorberschicht im Vergleich zur Saatschicht vergrößerte Si-Körner einer Vorzugsorientierung (100) ausbildbar sind, und abschließende Texturierung der Si-Absorberschicht. The invention also relates to a thin-film Si absorber having a thickness between 5 μm and 15 μm, formed as a coarse-grained polycrystalline layer with (100) preferred orientation, the grains having a size up to the thickness of the absorber layer, and arranged on the surface Light capture structures, producible by the following method steps: producing a Si seed layer on a substrate by applying a 20 nm to 40 nm thick a-Si layer and crystallizing this layer by means of a melting process such that coarse Si grains of a preferred orientation ( 100) can be formed, followed by deposition of a 5 .mu.m to 15 .mu.m thick a-Si absorber layer on the coarse-grained seed layer, which is then at least partially melted in a single step and crystallized such that in the Si absorber layer in comparison to the seed layer enlarged Si Grains of a preferred orientation (100) can be formed, u nd final texturing of the Si absorber layer.

Die Erfindung umfasst auch einen Dünnschecht-Si-Absorber mit einer Dicke zwischen 5 μm und 15 μm, ausgebildet als grobkörnige polykristalline Schicht mit (111)-Vorzugsorientierung. Einzigster und wichtigster Unterschied zum vorher beschriebenen Dünnschicht-Si-Absorber ist das Aufbringen einer 40 nm dicken a-Si Saatschicht und deren Kristallisation mit dem Ergebnis der Ausbildung einer Si-Saatschicht mit Körnern, die eine (111)-Vorzugsorientierung aufweisen, die dann im Folgeschritt vergrößert werden und die Information über ihre Orientierung auf die Absorberschicht übertragen.The invention also encompasses a thin-sheen Si absorber having a thickness between 5 μm and 15 μm, formed as a coarse-grained polycrystalline layer with (111) preferred orientation. The sole and most important difference to the previously described thin-film Si absorber is the application of a 40 nm thick a-Si seed layer and its crystallization resulting in the formation of an Si seed layer with grains having a (111) preferential orientation, which is then in the Subsequent step are enlarged and transfer the information about their orientation to the absorber layer.

Die Erfindung umfasst weiterhin die Verwendung des mit dem beschriebenen Verfahren hergestellten Dünnschicht-Si-Absorbers, aufweisend mindestens eine texturierte Si-Absorberschicht mit einer Dicke zwischen 5 und 15 μm, ausgebildet als grobkörnige polykristalline Schicht mit (100)-Vorzugsorientierung, zur Herstellung einer Solarzelle, wobei die Solarzelle als p/n- oder n/p-Struktur und/oder in einer Substrat- oder Superstrat-Konfiguration ausgebildet ist und/oder einen diffundierten Emitter oder einen Hetero-Emitter aufweist.The invention further comprises the use of the thin-film Si absorber produced by the described method, comprising at least one textured Si absorber layer with a thickness of between 5 and 15 μm, formed as a coarse-grained polycrystalline layer with (100) preferred orientation, for producing a solar cell wherein the solar cell is formed as a p / n or n / p structure and / or in a substrate or superstrate configuration and / or has a diffused emitter or a hetero-emitter.

Auf einem Dünnschicht-Si-Absorber mit (111)-Vorzugsorientierung, hergestellt mit dem erfindungsgemäßen Verfahren, kann bespielsweise eine a-Si-Emitterschicht deponiert werden. Die dabei entstehende ideale (plane) Oberfläche ist vorteilhaft für die nachfolgenden Prozessierungsschritte für eine Dünnschicht-Solarzelle.On a thin-film Si absorber with (111) preferred orientation, produced by the method according to the invention, for example, an a-Si emitter layer can be deposited. The resulting ideal (planar) surface is advantageous for the subsequent processing steps for a thin-film solar cell.

Die Erfindung wird im folgenden Ausführungsbeispiel anhand von Figuren näher erläutert.The invention will be explained in more detail in the following embodiment with reference to figures.

Dabei zeigenShow

1: schematisch die Morphologie der Körner in der Saatschicht in Abhängigkeit der Anzahl der Laserschüsse während des ersten Kristallisationsschrittes; 1 schematically the morphology of the grains in the seed layer as a function of the number of laser shots during the first crystallization step;

2: Texturanteil in der Saatschicht nach Kristallisationin Abhängigkeit der Dicke der aufgebrachten a-Si-Schicht. 2 : Texture content in the seed layer after crystallization depending on the thickness of the applied a-Si layer.

Auf ein Glassubstrat wird eine 30 nm dicke amorphe Si-Schicht als Saatschicht aufgebracht. Diese Saatschicht wird mittels Laser kristallisiert, wobei die Schicht einem gepulsten UV-Excimer Laser mit einer homogenisierten Strahlfläche ca. 100 Laserpulsen mit einer Pulslänge von 5 bis 250 ns ausgesetzt wird. Die Laserfluence wird ensprechend der Bedingungen für ein „Super Lateral Growth” (SLG) gewählt. In 1 ist schematisch die Morphologie der Körner in der Saatschicht in Abhängigkeit der Anzahl der Laserpulse dargestellt. Beim ersten Puls schmilzt die komplette a-Si-Schicht auf, der zweite Puls trifft dann auf eine poly-Si-Schicht, es treten kleine ungeschmolzene Inseln an der Grenzfläche Substrat/Silizium auf. Diese Inseln dienen als Keime für die Körner und die Ausbildung der Struktur mit kleinen und zufällig orientierten Körnern. Wird die Anzahl der Laserpulse bis etwa 30 erhöht, ist das Ergebnis eine Mischung von zufällig orientierten und größeren, bevorzugt orientierten Körnern. Letztendlich entstehen bei diesem Kristallisationsprozess nach 100 Pulsen Si-Körner mit einer (100)-Vorzugsorientierung. Anschließend wird mittels CVD-Verfahren auf diese Saatschicht eine 12 μm dicke amorphe Absorberschicht abgeschieden. Mittels eines Elektronenstrahls wird diese Schicht nun aufgeschmolzen, um die (100)-orientierten Körner zu vergrößern. Der Elektronenstrahl wird mit einer Ziehgeschwindigkeit größer 6 mm/s über die Probe geführt, der Energieeintrag beträgt 0,4 bis 1,6 J/mm2. Wenn die Schmelze erstarrt, wird die Gitterinformation der kristallisierten Saatschicht genutzt, um über die gesamte Dicke der Absorberschicht die (100)-Vorzugsorientierung zu erhalten. Da die Absorberschicht eine genügend große Dicke hat, werden nun Lichteinfangstrukturen in Form von Zufallspyramiden geätzt. Dafür wird der für Wafer-Solarzellen bekannte Standardprozess einer KOH/Isopropanol-Lösung verwendet. Die nach der KOH-Texturierung vorliegende Oberfläche bietet nun optimale Bedingungen für die nachfolgende Deposition eines Heterostruktur-Emitters aus amorphem Silizium (a-Si:C). Diese a-Si:H-Schicht wird in einer Dicke von ca. 5 nm aufgebracht. Letztendlich wird eine TCO-Schicht in einer Dicke von ca. 80 nm darauf abgeschieden, womit die Solarzelle komplettiert ist.On a glass substrate, a 30 nm thick amorphous Si layer is applied as a seed layer. This seed layer is crystallized by laser, the layer is exposed to a pulsed UV excimer laser with a homogenized beam surface about 100 laser pulses with a pulse length of 5 to 250 ns. The laser fluence is chosen according to the conditions for a "Super Lateral Growth" (SLG). In 1 is shown schematically the morphology of the grains in the seed layer as a function of the number of laser pulses. In the first pulse, the complete a-Si layer melts, the second pulse then strikes a poly-Si layer, small unmelted islands appear at the substrate / silicon interface. These islands serve as seeds for the grains and the formation of the structure with small and randomly oriented grains. If the number of laser pulses is increased to about 30, the result is a mixture of randomly oriented and larger, preferably oriented grains. Finally, after 100 pulses, this crystallization process produces Si grains with a (100) preference orientation. Subsequently, a 12 μm thick amorphous absorber layer is deposited by means of CVD method on this seed layer. By means of an electron beam, this layer is then melted to increase the (100) -oriented grains. The electron beam is passed over the sample at a pulling speed greater than 6 mm / s, the energy input is 0.4 to 1.6 J / mm 2 . As the melt solidifies, the lattice information of the crystallized seed layer is utilized to obtain the (100) preferential orientation over the entire thickness of the absorber layer. Since the absorber layer has a sufficiently large thickness, light capture structures are now etched in the form of random pyramids. For this, the standard process of a KOH / isopropanol solution known for wafer solar cells is used. The surface present after KOH texturing now provides optimal conditions for the subsequent deposition of a heterostructure emitter of amorphous silicon (a-Si: C). This a-Si: H layer is applied in a thickness of about 5 nm. Finally, a TCO layer in a thickness of about 80 nm is deposited thereon, whereby the solar cell is completed.

In 2 wird das bereits erwähnte überraschende Ergebnis deutlich, dass bei der Kristallisation der auf das Substrat aufgebrachten a-Si-Schicht Si-Körner einer (100)-Vorzugsorientierung entstehen – unabhängig von der Art des Abscheidens der a-Si-Schicht und vom darunter liegenden Substrat, jedoch abhängig von der Dicke der aufgebrachten A-Si-Schicht. Soll die Saatschicht die (100)-Vorzugsorientierung aufweisen, ist die a-Si-Schicht in einer Dicke kleiner 40 nm aufzubringen. Ist diese Schicht dicker als 40 nm, weisen die entstehenden Si-Körner eine (111)-Vorzugsorientierung auf.In 2 the above-mentioned surprising result becomes clear that crystallization of the a-Si layer applied to the substrate results in Si grains of (100) preferred orientation, irrespective of the type of deposition of the a-Si layer. Si layer and the underlying substrate, but depending on the thickness of the applied A-Si layer. If the seed layer has the (100) preferred orientation, the a-Si layer is to be applied in a thickness of less than 40 nm. If this layer is thicker than 40 nm, the resulting Si grains have a (111) preferred orientation.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (15)

Verfahren zur Herstellung einer dünnen Si-Absorberschicht mit mindestens den Verfahrensschritten – Erzeugen einer Si-Saatschicht auf einem Substrat, wobei zunächst eine a-Si-Schicht mit einer Dicke < 40 nm aufgebracht und anschließend derart in einem Schmelzverfahren kristallisiert wird, dass in der Saatschicht Si-Körner mit einer (100)-Vorzugsorientierung ausgebildet werden, – anschließende Abscheidung einer 5 μm bis 15 μm dicken a-Si-Absorberschicht auf die nunmehr Körner aufweisende Saatschicht, die danach in einem einzigen Schritt mindestens teilweise aufgeschmolzen und derart kristallisiert wird, dass in der Si-Absorberschicht im Vergleich zur kristallisierten Saatschicht vergrößerte Si-Körner einer Vorzugsorientierung, entsprechend der ursprünglichen Textur der Saatschicht, ausbildbar sind, und – abschließende Strukturierung der Oberfläche der Si-Absorberschicht.Method for producing a thin Si absorber layer with at least the method steps - Producing a Si seed layer on a substrate, wherein first an a-Si layer is applied with a thickness <40 nm and then crystallized in such a manner that are formed in the seed layer Si grains with a (100) -Vorzugsorientierung . - Subsequent deposition of a 5 microns to 15 microns thick a-Si absorber layer on the seeds now having grains, which is then at least partially melted in a single step and crystallized such that in the Si absorber layer compared to the crystallized seed layer enlarged Si Grains of a preferred orientation, according to the original texture of the seed layer, are formable, and Final structuring of the surface of the Si absorber layer. Verfahren zur Herstellung einer dünnen Si-Absorberschicht mit mindestens den Verfahrensschritten – Erzeugen einer Si-Saatschicht auf einem Substrat, wobei zunächst eine a-Si-Schicht mit einer Dicke > 40 nm aufgebracht und anschließend derart in einem Schmelzverfahren kristallisiert wird, dass in der Saatschicht Si-Körner mit einer (111)-Vorzugsorientierung ausgebildet werden, – anschließende Abscheidung einer 5 μm bis 15 μm dicken a-Si-Absorberschicht auf die nunmehr Körner aufweisende Saatschicht, die danach in einem einzigen Schritt mindestens teilweise aufgeschmolzen und derart kristallisiert wird, dass in der Si-Absorberschicht im Vergleich zur kristallisierten Saatschicht vergrößerte Si-Körner einer Vorzugsorientierung, entsprechend der ursprünglichen Textur der Saatschicht, ausbildbar sind, und – abschließende Strukturierung der Oberfläche der Si-Absorberschicht.Method for producing a thin Si absorber layer with at least the method steps - Producing a Si seed layer on a substrate, wherein first an a-Si layer is applied with a thickness> 40 nm and then crystallized in such a manner that are formed in the seed layer Si grains with a (111) -Vorzugsorientierung . - Subsequent deposition of a 5 microns to 15 microns thick a-Si absorber layer on the seeds now having grains, which is then at least partially melted in a single step and crystallized such that in the Si absorber layer compared to the crystallized seed layer enlarged Si Grains of a preferred orientation, according to the original texture of the seed layer, are formable, and Final structuring of the surface of the Si absorber layer. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die a-Si-Saatschicht mittels CVD oder PVD aufgebracht wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the a-Si seed layer is applied by means of CVD or PVD. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzverfahren zur Kristallisation der Saatschicht und Ausbildung von Körnern mit Vorzugsorientierung in dieser Saatschicht mit einem CW- oder gepulsten Laserstrahl oder einem Elektronenstrahl durchgeführt wirdA method according to claim 1 or 2, characterized in that the melting process for the crystallization of the seed layer and formation of grains with preferential orientation in this seed layer with a CW or pulsed laser beam or an electron beam is performed Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die a-Si-Absorberschicht mittels Elektronenstrahl oder Laserstrahl kristallisiert wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the a-Si absorber layer is crystallized by means of electron beam or laser beam. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Zwischenschicht eine Schicht aus amorphem Silizium-Kohlenstoff oder Silizuimcarbid Si1-xCx mit 0 < x < 1 oder aus Sliziumnitrid (SiNx) aufgebracht wird, wahlweise undotiert oder mit mindestens einem der folgenden Elemente dotiert: Bor, Phosphor, Aluminium, Antimon, Arsen oder Indum.A method according to claim 1 or 2, characterized in that as an intermediate layer, a layer of amorphous silicon carbon or silicon carbide Si 1-x C x with 0 <x <1 or from silicon nitride (SiN x ) is applied, optionally undoped or at least one doped with the following elements: boron, phosphorus, aluminum, antimony, arsenic or indum. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat eine Metallfolie, insbesondere eine Edelstahlfolie, verwendet wird, mindestens aufweisend eines der folgenden Elemente: Fe, Ti, Cr, V, Ni, Mo, W oder Ta.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the substrate used is a metal foil, in particular a stainless steel foil, having at least one of the following elements: Fe, Ti, Cr, V, Ni, Mo, W or Ta. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Substrat eine Keramik verwendet wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that a ceramic is used as the substrate. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strukturierung der Oberfläche der kristallisierten Absorberschicht mittels eines Ätzprozesses mit einer KOH-/Isopropanol-Lösung durchgeführt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the structuring of the surface of the crystallized absorber layer is carried out by means of an etching process with a KOH / isopropanol solution. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die strukturierte Oberfläche der kristallisierten Absorberschicht nachgereinigt und/oder planarisiert wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that the structured surface of the crystallized absorber layer is post-cleaned and / or planarized. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei Kristallisation der Saatschicht und der Absorberschicht mittels Elektronenstrahl die Temperatur der aufgeschmolzenen Schicht durch Messung der Farbtemperatur des Elektronenstrahl-Auftreffpunktes ermittelt wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that upon crystallization of the seed layer and the absorber layer by means of electron beam, the temperature of the molten layer is determined by measuring the color temperature of the electron beam impact point. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen einer a-Si Schicht zur Erzeugung einer Saatschicht eine zusätzliche als Diffusionsbarriere und/oder Kontaktschicht und/oder Dotierstoffquelle wirkende Schicht mit einer Dicke zwischen 5 nm und 500 nm auf dem Substrat abgeschieden wird.A method according to claim 1 or 2, characterized in that deposited before the application of an a-Si layer to produce a seed layer, an additional acting as a diffusion barrier and / or contact layer and / or Dotierstoffquelle layer having a thickness between 5 nm and 500 nm on the substrate becomes. Dünnschicht-Si-Absorber mit einer Dicke zwischen 5 μm und 15 μm ausgebildet als grabkörnige polykristalline Schicht mit (100)-Vorzugsorientierung, wobei die Körner eine Größe bis zur Dicke der Absorberschicht aufweisen, und mit auf der Oberfläche angeordneten Lichteinfangstrukturen, herstellbar durch die folgenden Verfahrensschritte: – Erzeugen einer Si-Saatschicht auf einem Substrat durch Aufbringen einer 40 nm dicken a-Si-Schicht und Kristallisation dieser Schicht derart mittels eines Schmelzverfahrens, dass in der Saatschicht grobe Si-Körner einer Vorzugsorientierung (100) ausbildbar sind, – anschließende Abscheidung einer 5 μm bis 15 μm dicken a-Si-Absorberschicht auf die grobkörnige Saatschicht, die danach in einem einzigen Schritt mindestens teilweise aufgeschmolzen und derart kristallisiert wird, dass in der Si-Absorberschicht im Vergleich zur Saatschicht vergrößerte Si-Körner einer Vorzugsorientierung (100) ausbildbar sind, – abschließende Texturierung der Si-Absorberschicht.Thin-film Si absorber having a thickness between 5 μm and 15 μm formed as a grave-like polycrystalline layer with (100) preferred orientation, wherein the grains have a size up to the thickness of the absorber layer, and with arranged on the surface Lichteinfangstrukturen, producible by the following Process steps: producing a Si seed layer on a substrate by applying a 40 nm thick a-Si layer and crystallizing this layer by means of a melting process so that coarse Si grains of a preferred orientation (100) can be formed in the seed layer, followed by deposition a 5 .mu.m to 15 .mu.m thick a-Si absorber layer on the coarse-grained seed layer, which thereafter in a single step at least partially melted and crystallized such that in the Si absorber layer in comparison to the seed layer enlarged Si grains of a preferred orientation (100) are formed, - final texturing of the Si absorber layer. Dünnschicht-Si-Absorber mit einer Dicke zwischen 5 μm und 15 μm ausgebildet als grobkörnige polykristalline Schicht mit (111)-Vorzugsorientierung, wobei die Körner eine Größe bis zur Dicke der Absorberschicht aufweisen, und mit auf der Oberfläche angeordneten Lichteinfangstrukturen, herstellbar durch die folgenden Verfahrensschritte: – Erzeugen einer Si-Saatschicht auf einem Substrat durch Aufbringen einer > 40 nm dicken a-Si-Schicht und Kristallisation dieser Schicht derart mittels eines Schmelzverfahrens, dass in der Saatschicht grobe Si-Körner einer Vorzugsorientierung (111) ausbildbar sind, – anschließende Abscheidung einer 5 μm bis 15 μm dicken a-Si-Absorberschicht auf die grobkörnige Saatschicht, die danach in einem einzigen Schritt mindestens teilweise aufgeschmolzen und derart kristallisiert wird, dass in der Si-Absorberschicht im Vergleich zur Saatschicht vergrößerte Si-Körner einer Vorzugsorientierung (111) ausbildbar sind, – abschließende Texturierung der Si-Absorberschicht.Thin-film Si absorber having a thickness between 5 μm and 15 μm formed as a coarse-grained polycrystalline layer with (111) preferred orientation, wherein the grains have a size up to the thickness of the absorber layer, and with arranged on the surface Lichteinfangstrukturen, producible by the following steps: Producing a Si seed layer on a substrate by applying a> 40 nm thick a-Si layer and crystallizing this layer by means of a melting process so that coarse Si grains of a preferred orientation (111) can be formed in the seed layer, - Subsequent deposition of a 5 microns to 15 microns thick a-Si absorber layer on the coarse seed layer, which is then at least partially melted in a single step and crystallized such that in the Si absorber layer in comparison to the seed layer enlarged Si grains of a preferred orientation (111) can be formed, Final texturing of the Si absorber layer. Verwendung des mit dem Verfahren nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 3 bis 12 hergestellten Dünnschicht-Si-Absorbers, aufweisend mindestens eine texturierte Si-Absorberschicht mit einer Dicke zwischen 5 und 15 μm, ausgebildet als grobkörnige polykristalline Schicht mit (100)-Vorzugsorientierung, zur Herstellung einer Solarzelle, wobei die Solarzelle als p/n- oder n/p-Struktur und/oder in einer Substrat- oder Superstrat-Konfiguration ausgebildet ist und/oder einen diffundierten Emitter oder einen Hetero-Emitter aufweist.Use of the thin-film Si absorber produced by the method according to at least one of claims 1 and 3 to 12, comprising at least one textured Si absorber layer having a thickness between 5 and 15 μm, formed as a coarse-grained polycrystalline layer with (100) preferred orientation, for producing a solar cell, wherein the solar cell is formed as a p / n or n / p structure and / or in a substrate or superstrate configuration and / or has a diffused emitter or a hetero-emitter.
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